一种光偏振旋转器和一种光偏振旋转方法

摘要

本发明提供一种光偏振旋转器和光偏振旋转方法，所述光偏振旋转器包括偏振旋转结构，所述偏振旋转结构为在条形介质波导上横向非对称地覆盖负介电常数材料层的结构，以对入射光实现任意角度的偏振旋转，其中所述负介电常数材料层为在所述光偏振旋转器的工作电磁波段材料的介电常数实部为负数的材料层。本发明采用在条形介质波导上部分覆盖负介电常数材料层的结构作为偏振旋转结构，实现了对入射光进行任意的偏振旋转、减小器件长度、降低工艺难度的目的，同时还能够保持很高的偏转旋转率及较低的插入损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种光偏振旋转器和一种 光偏振旋转方法。

背景技术

现有的集成光偏振旋转器多基于传统的条形介质波导，通过改变 条形介质波导的几何结构，例如刻蚀沟槽，构造倾斜侧壁等，实现不 同偏振模式之间的相干、耦合，进而达到偏振旋转的目的。然而目前 这些方法大多存在这样或那样的问题，例如尺寸大，不适于集成、需 要复杂甚至是非标准的工艺步骤、工艺容差小。归结起来，其主要限 制在于仅单纯依靠对介质波导几何结构的改变，可调控的自由度及调 控程度十分有限，难以达到高转换率、小尺寸的需求。而偏振控制在 许多应用领域如通信、生物传感、量子光学等非常关键，高效率、小 尺寸的光偏振旋转器作为独立元件也有非常重要的应用价值。

发明内容

本发明提供一种光偏振旋转器和一种光偏振旋转方法，用于解决 现有技术中的偏转旋转器尺寸大，不适于集成、不能实现任意角度的 偏振旋转的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光偏振旋转器，所述光偏 振旋转器包括偏振旋转结构，所述偏振旋转结构为在条形介质波导上 横向非对称地覆盖负介电常数材料层的结构，以对入射光实现任意角 度的偏振旋转，其中所述负介电常数材料层为在所述光偏振旋转器的 工作电磁波段材料的介电常数实部为负数的材料层。

进一步地，在所述条形介质波导和所述负介电常数材料层之间还 包括：

相对所述条形介质波导的波导材料折射率更低的薄层介质层。

进一步地，

所述偏振旋转结构的表面覆盖包层，所述包层为二氧化硅包层、 III-IV族材料包层或空气；

和/或，所述负介电常数材料为：金、银、铜、铝、导电玻璃、碱 金属、合金、金属间化合物或石墨烯层。

进一步地，

所述条形介质波导采用介质材料，为绝缘体上硅、半导体材料或 氮化硅。

进一步地，

所述负介电常数材料层部分覆盖所述条形介质波导，其覆盖截面 为长方形或多边形；

和/或，所述负介电常数材料层覆盖所述条形介质波导的一个侧面。

进一步地，

所述负介电常数材料层部分覆盖所述薄层介质层，其覆盖截面为 长方形或多边形；

和/或，所述负介电常数材料层覆盖所述条形介质波导和所述薄层 介质层的一个侧面。

进一步地，

所述偏振旋转结构通过控制覆盖在所述条形介质波导上的所述负 介电常数材料层的位置和/或尺寸来控制波导本征模式的光轴的角度以 及波导两个本征模式在输出端的相位差，从而控制出射偏振光的性质。

进一步地，所述光偏振旋转器还包括：

与所述偏振旋转结构的一端或两端连接的第一端和/或第二端；

所述第一端和/或第二端为直条形硅波导、锥形波导或光栅。

另一方面，本发明还提供一种光偏振旋转方法，通过几何结构或 介电常数不同的材料，构成横向非对称的波导，所述波导支持两个正 交的本征模式，由于横向非对称性，两个模式的光轴偏离0°或90°， 且两个模式的传播常数不同，初始的入射光可分解为这两个本征模式， 并由于模式相干，在输出端形成相位差，进而实现偏振旋转，通过控 制波导的结构、尺寸，来控制本征模式光轴角度以及传播的相位差， 进而控制偏振旋转的状态。

可见，在本发明提供的光偏振旋转器和光偏振方法中，采用在条 形介质波导上横向非对称覆盖负介电常数材料层的结构作为偏振旋转 结构，实现了减小器件长度、降低工艺难度、实现任意角度的偏振旋 转的目的，同时还能够保持很高的偏转旋转率及较低的插入损耗。本 发明实施例适用于三五族、硅基等多种材料体系及多个电磁场工作波 段，能够应用于需要偏振旋转的片上集成光学系统，大大增加集成度 并方便的与其他集成器件互联。也可作为独立元件，广泛应用于需要 偏振旋转的领域，如通信、生物、量子光学等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显 而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附 图获得其他的附图。

图1是本发明实施例光偏振旋转器的基本结构俯视图；

图2是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的俯视图；

图3是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的侧面剖面图；

图4是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的侧面剖面图；

图5是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的侧面剖面图；

图6是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的结构示意图；

图7是本发明实施例1光偏振旋转器的侧面剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

本发明实施例首先提供一种光偏振旋转器，如图1的俯视图所示， 其包括偏振旋转结构1，偏振旋转结构1为在条形介质波导2上横向非 对称地覆盖负介电常数材料层3的结构。

其中，在条形介质波导2和负介电常数材料层3之间还可以包括： 相对条形介质波导2的波导材料折射率更低的薄层介质层4(图中未示 出)，负介电常数材料层3的宽度可以小于薄层介质层4的宽度。

可选地，偏振旋转结构1的表面可以覆盖包层，包层材料可以根 据所述光偏振旋转器的材料选择，可以为二氧化硅包层或III-IV族材 料包层或空气。

可选地，负介电常数材料层3可以为：金、银、铜、铝、导电玻 璃(透明导电氧化物)、碱金属、合金、金属间化合物(intermetallics) 或石墨烯层等。

可选地，条形介质波导2可以采用绝缘体上硅、半导体材料、氮 化硅等非良导体材料，其中，半导体材料可以优选为硅、锗或III-IV 族半导体材料。

可选地，负介电常数材料层3可以部分覆盖条形介质波导2，其覆 盖截面可以为长方形或多边形，参见图1、图2中的俯视图和图3中的 截面图所示，其中5为衬底；和/或，负介电常数材料层3还可以覆盖 条形介质波导1的其中一个侧面，如图4的截面图所示，以形成非对 称结构。

而当条形介质波导2和负介电常数材料层3之间还包括薄层介质 层4时，相应地，负介电常数材料层3可以部分覆盖薄层介质层4，其 覆盖截面同样可以为长方形或多边形；和/或，负介电常数材料层3还 可以覆盖条形介质波导2和薄层介质层4的其中一个侧面，如图5的 截面图所示，以形成非对称结构。

可选地，偏振旋转结构1可以通过控制覆盖在条形介质波导2上 的负介电常数材料层3的位置和/或尺寸来控制波导本征模式的光轴的 角度以及波导两个本征模式在输出端的相位差，从而控制出射偏振光 的性质。其中，负介电常数材料层3的宽度、位置将影响波导本征模 式的光轴的角度，进而调控输出端的偏振光性质。负介电常数材料层 3的长度由双光束相干的相位差公式决定。

可选地，如图6所示，光偏振旋转器还可以包括：与偏振旋转结 构1的一端或两端连接的第一端6和/或第二端7，作为输入端和/或输 出端。

可选地，第一端6和/或第二端7可以为用于与其他器件集成的直 条形硅波导或用于与光纤或空间光学元器件耦合的锥形波导，其中锥 形波导可以含有光栅。

实施例1：

本发明实施例1提供一种光偏振旋转器，见图6，由锥形输入波导 6、偏振旋转结构1和锥形输出波导7组成。其中偏振旋转结构1利用 金属形成的负介电常数材料层3部分覆盖在条形介质波导2上以构造 非对称结构。

本发明实施例1中将低折射率介质的薄层介质层4覆盖在条形介 质波导2的高折射率介质上，然后将金属形成的负介电常数材料层3 部分覆盖于低折射率介质的薄层介质层4上，与薄层介质层4一边对 齐，如图7的横截面示意图所示。当然，本发明实施例所涉及的偏振 旋转结构1也可以不局限于此结构，例如负介电常数材料层3的位置 可以向薄层介质层4的中心偏移、其形状也可以不局限于长方形，负 介电常数材料层3也可以部分或全部覆盖薄层介质层4和条形介质波 导2的一侧，而整个偏振旋转结构1的顶层也还可以覆盖SiO2包层。

图6所示的偏振旋转结构1，支持两个相互正交的本征模式，其光 轴与水平方向夹角分别为θ和π/2-θ。则当锥形输入波导6的入射光 为横电波(或横磁波)，进入偏振旋转结构1时，入射的光会分解为条 形介质波导2中的两个本征模式，两个本征模式分别以各自的有效波 矢量2π/λ*n_eff1和2π/λ*n_eff2传播。n_eff1与n_eff2分别是两个本征模式 的有效折射率，λ为工作波长。传输经过长度L的金属时，在锥形输 出波导7这一端，两个模式会产生相位差：Φ＝2π/λ*(n_eff1-n_eff2)*L。

由此可知，本发明实施例1可以根据最终所需的偏振状态来适当 选取L长度，即可得到任意偏振态的线偏光或椭圆偏振光，对入射光 实现任意的旋转。

本发明实施例1采用绝缘体上硅(Si on Insulator,SOI)材料体系 设计加工，令工作波长λ为1550nm，假定本实施例1光偏振旋转器的 功能为实现入射光为线性横电波，出射光为线性横磁波。选择条形介 质波导的高折射率介质层宽度为400nm，选择金属为金。那么，当金 属宽度为183nm时，θ应为π/4；当金属长度L＝3.2μm时，相位差为 Φ＝π，可知在锥形输出波导5这一端，输出光的偏振态相对于入射光(横 电波)旋转了2θ＝π/2，且还是线偏振光，从而可以实现横电波到横 磁波的旋转。

实施例2：

本发明实施例2公开了一种光偏振旋转方法，通过几何结构或介 电常数不同的材料，构成横向非对称的波导，波导支持两个正交的本 征模式，由于横向非对称性，两个模式的光轴偏离0°或90°，且两 个模式的传播常数不同。初始的入射光可分解为这两个本征模式，并 由于模式相干，在输出端形成相位差，进而实现偏振旋转。通过控制 波导的结构、尺寸，来控制本征模式光轴角度以及传播的相位差，进 而控制偏振旋转的状态。

可见，本发明实施例采用在条形介质波导上部分覆盖负介电常数 材料层的结构作为偏振旋转结构，实现了减小器件长度、降低工艺难 度的目的，同时还能够保持很高的偏转旋转率及较低的插入损耗。本 发明实施例适用于三五族、硅基等多种材料体系及多个电磁场工作波 段，能够应用于需要偏振旋转的片上集成光学系统，大大增加集成度 并方便的与其他集成器件互联。也可作为独立元件，广泛应用于需要 偏振旋转的领域，如通信、生物、量子光学等领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。